RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別的距離可從幾十厘米至幾米，這是由系統(tǒng)工作頻率和標(biāo)簽類型（有源和無源）決定的；根據(jù)電子標(biāo)簽的讀寫方式，又分為只讀標(biāo)簽和可讀可寫標(biāo)簽；對(duì)于單次或多次可寫的標(biāo)簽，依其內(nèi)存大小。可以輸入數(shù)個(gè)甚至數(shù)千個(gè)字節(jié)的信息；同時(shí)，電子標(biāo)簽還具有極高的保密性。射頻識(shí)別技術(shù)適用的領(lǐng)域主要包括：物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識(shí)別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場(chǎng)合，要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場(chǎng)合尤為適用。  



UHF RFID讀卡機(jī)是指工作在UHF頻段的RFID閱讀系統(tǒng)，國(guó)際通用的UHF頻段就是ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)藥）公用頻段，如865_868MHz、902_928MHz等頻段，它們分別適用于不同的國(guó)家或地區(qū)，前者是歐洲使用頻段，而后者大多在美國(guó)、加拿大等國(guó)家使用。高頻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是電子標(biāo)簽及讀卡機(jī)成本均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)，適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性。  



目前，關(guān)于RFID系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)很多，尚不統(tǒng)一。主要的標(biāo)準(zhǔn)包括ISO/IEC 15693（13.56MHz）、ISO/IEC 18000， ISO/IEC 18000 part 6規(guī)定的是UHF頻段RFID的空中接口協(xié)議。還有其他的標(biāo)準(zhǔn)組織，如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)組織（Auto-ID、Global EPC）以及日本標(biāo)準(zhǔn)組織等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 中國(guó)也正在制定符合本國(guó)市場(chǎng)需求的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。  



典型RFID系統(tǒng)組成及工作原理  


典型RFID系統(tǒng)組成  


本文介紹的是UHF無源讀卡機(jī)的設(shè)計(jì)原理，典型RFID的系統(tǒng)組成。如圖1，射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成一般至少包括兩個(gè)部分：   


       （1） 電子標(biāo)簽（Tag）    


       （2） 讀卡機(jī)（Reader）  


其中，電子標(biāo)簽也常稱為標(biāo)簽、射頻卡、Tag、Transponder，而讀卡機(jī)也常稱為讀卡器、Reader、Interrogator。當(dāng)然一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)還必須包括主PC、讀卡機(jī)天線、接口電纜、終端監(jiān)控軟件等，有時(shí)一個(gè)RFID系統(tǒng)還需要跟internet相連以獲得遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)信息或跟多個(gè)RFID系統(tǒng)相連。  

       圖1　典型的RFID系統(tǒng)

電子標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面。讀卡機(jī)可無接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。  



電子標(biāo)簽是將體積極小（＜1mm2＝的芯片跟尺寸適中的天線固定在一起的，一般標(biāo)簽天線為頻率受限器件，考慮到工作頻段和增益的要求，天線不能做得很小。標(biāo)簽天線可以是單天線結(jié)構(gòu)也可以是多天線即極化隔離結(jié)構(gòu)。讀卡機(jī)同樣包括至少一付天線跟標(biāo)簽進(jìn)行通信，讀卡機(jī)的天線一般沒有尺寸限制，其極化方式也是根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同分別設(shè)計(jì)的，如果讀卡機(jī)天線是園極化形式，那么對(duì)標(biāo)簽的安裝方式則沒有任何要求。  



RFID系統(tǒng)工作原理  



目前，國(guó)際上UHF RFID電子標(biāo)簽大多是無源標(biāo)簽。對(duì)于無源的電子標(biāo)簽，其工作所必須的電源是通過對(duì)讀卡機(jī)天線發(fā)射來的射頻信號(hào)進(jìn)行檢波得到的。當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的物體目標(biāo)進(jìn)入到讀卡機(jī)天線的有效覆蓋區(qū)域里時(shí)，因?yàn)闃?biāo)簽天線的工作頻率同為讀卡機(jī)天線的工作頻率，則標(biāo)簽天線接收到足夠功率的射頻信號(hào)，位于標(biāo)簽芯片前端的電荷泵電路便開始工作，它將天線接收送來的這部分信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓供后端的電路使用。  



讀卡機(jī)天線發(fā)射的是AM波，被標(biāo)簽天線接收到的該AM信號(hào)一部分進(jìn)入檢波電路（電荷泵），另外一部分信號(hào)則進(jìn)入解調(diào)電路，解調(diào)電路輸出的是AM波的包絡(luò)信號(hào)，包括讀卡機(jī)發(fā)給標(biāo)簽的時(shí)鐘校正、同步等指令。而標(biāo)簽在對(duì)讀卡機(jī)的各種指令進(jìn)行分析、執(zhí)行之后，將事先儲(chǔ)存在ROM里的唯一的ID信息再調(diào)制到讀卡機(jī)的發(fā)射信號(hào)上，最常使用的調(diào)制技術(shù)就是反向散射調(diào)制。標(biāo)簽反向散射的調(diào)制信號(hào)非常微弱，被讀卡機(jī)的天線接收送入接收、解調(diào)電路，再經(jīng)過DSP處理，從而得到正確的標(biāo)簽ID信息。  



UHF RFID讀卡機(jī)設(shè)計(jì)原理  



本系統(tǒng)工作屬于半雙工模式，遵循ITF（讀卡機(jī)講話優(yōu)先）原則，即標(biāo)簽是否需要回發(fā)信號(hào)建立在有沒有接收到并正確解調(diào)出讀卡機(jī)發(fā)來的指令，也就是說，系統(tǒng)開始工作時(shí)，先由讀卡機(jī)發(fā)出一系列的讀標(biāo)簽指令，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀卡機(jī)天線的有效覆蓋區(qū)域時(shí)，會(huì)被電磁場(chǎng)激活，開始解調(diào)讀卡機(jī)的指令，只有正確得到讀指令后，標(biāo)簽才會(huì)將自己的ID信息等數(shù)據(jù)通過反向散射的調(diào)制方式回發(fā)給讀卡機(jī)。  



本文介紹的是多通道零中頻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，重點(diǎn)在于接收電路的介紹，對(duì)發(fā)射信號(hào)（功率源）的產(chǎn)生、發(fā)射調(diào)制電路以及DSP信號(hào)處理、控制電路等不做詳細(xì)闡述。  



研制成功的900MHz RFID讀卡機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。合成器（Sythesizer）產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需要的902~928MHz頻率信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)木彌_放大之后分成兩路，一路進(jìn)入調(diào)制、發(fā)射電路，另一路進(jìn)入接收電路作為本振信號(hào)，而來自天線的標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)同樣進(jìn)入接收電路，跟本振信號(hào)共同作用在多通道零中頻解調(diào)電路上。  

       圖2　UHF RFID讀卡機(jī)系統(tǒng)原理圖

MCU控制頻率合成器產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需要的RF信號(hào)，該RF信號(hào)被分為兩路分別送入調(diào)制發(fā)射（Modulator&PA）電路和接收（Receiver）電路。從MCU發(fā)來的發(fā)射信號(hào)（Transmission Data）被調(diào)制到RF信號(hào)上成為AM調(diào)幅波，利用發(fā)射天線（ANT）輻射出去，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀卡機(jī)天線的有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)后，開始跟讀卡機(jī)進(jìn)行無線通信，標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)非常微弱，被讀卡機(jī)接收天線接收后送入接收電路，最終經(jīng)過解調(diào)得到標(biāo)簽回發(fā)的數(shù)據(jù)信息送回MCU。而MCU通過串口或以太網(wǎng)接口跟主計(jì)算機(jī)相連，通過控制軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀卡機(jī)操作，如讀卡、寫卡等命令。  



零中頻技術(shù)應(yīng)用  



在選擇接收機(jī)電路方案的時(shí)候，設(shè)計(jì)復(fù)雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的，常見的兩種接收機(jī)設(shè)計(jì)原理包括超外差式和零差式。超外差接收機(jī)不僅電路復(fù)雜，成本也非常昂貴，相比之下，零差接收機(jī)（也叫零中頻接收機(jī)）只需要一級(jí)同頻混頻器就可以直接得到解調(diào)信號(hào)（即基帶信號(hào)），不僅極大的降低了成本，而且結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，調(diào)測(cè)試方便。  

       圖3　通道零中頻接收電路

研制的UHF RFID讀卡機(jī)接收電路設(shè)計(jì)原理圖3所示，其中包括4通道零中頻接收電路。其中，900MHz移相網(wǎng)絡(luò)使用分立元件電感、電容實(shí)現(xiàn)，跟傳統(tǒng)的微帶線移相網(wǎng)絡(luò)相比，極大的降低了PCB布板的面積。  



A點(diǎn)的本振信號(hào)為連續(xù)波，用VLA(t)=Acosω0t表示，A為信號(hào)幅度。本振信號(hào)經(jīng)過三級(jí)移相，在B、C、D點(diǎn)分別形成信號(hào)如下：B點(diǎn)VLB(t)=Acos(ω0t+π/4)、C點(diǎn)VLC(t)=Acos(ω0t+2π/4)、D點(diǎn)VLD(t)=Acos(ω0t+3π/4)。  



天線接收到的標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)為AM波，假設(shè)在D點(diǎn)的接收信號(hào)為VRD(t)=B(t)cos(ω0t+φ)，其中B(t)是標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，φ為收發(fā)信號(hào)之間的相位差，跟天線和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)。  



接收信號(hào)經(jīng)過三級(jí)移相，在C、B、A點(diǎn)分別形成信號(hào)如下：C點(diǎn)VRC(t)=B(t)cos(ω0t+φ+π/4)、B點(diǎn)VRB(t)=B(t)cos(ω0t+φ+2π/4)、A點(diǎn)VRA(t)=B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)。  



對(duì)每路二極管混頻電路，輸入信號(hào)包括本振和接收信號(hào)，輸出信號(hào)為兩個(gè)輸入信號(hào)的混頻結(jié)果，例如A’點(diǎn)Acosω0tx B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)=AB(t)/2cos(2ω0t+φ+3π/4)+ AB(t)/2cos(φ+3π/4)。 
每路信號(hào)再經(jīng)過低通濾波器將高頻分量2ω0t濾除掉，就得到標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)B(t)：  



A’’點(diǎn)AB(t)/2cos(φ+3π/4)；B’’點(diǎn)AB(t)/2cos(φ+π/4)；C’’點(diǎn)AB(t)/2cos(φ-π/4)；D’’點(diǎn)AB(t)/2cos(φ-3π/4)。  



不難看出，AB(t)/2cos(φ+3π/4)和AB(t)/2cos(φ-π/4)相位差π，AB(t)/2cos(φ+π/4)和AB(t)/2cos(φ-3π/4)相位差π，分別進(jìn)入差分放大器Diff1和Diff2。兩個(gè)差分放大器的輸出信號(hào)分別為：  



       I點(diǎn)：G1(AB(t)/2cos(φ+3π/4)- AB(t)/2cos(φ-π/4))= -G1 AB(t) sin(φ+π/4)= G1 AB(t) cos(φ+3π/4)；  



       Q點(diǎn)：G2(AB(t)/2cos(φ+π/4)- AB(t)/2cos(φ-3π/4))= -G2 AB(t) sin(φ-π/4)= G2 AB(t) cos(φ+π/4)；  



其中，G1 、G2分別為差分放大器Diff1和Diff2的增益。顯然兩個(gè)差分放大器的輸出信號(hào)只跟φ有關(guān)，而且是正交的，再分別經(jīng)過放大和比較，最終得到TTL電平的IQ信號(hào)送入DSP進(jìn)行處理。  



I-Data和Q-Data是正交信號(hào)，且只跟讀卡機(jī)天線和標(biāo)簽之間的距離（收發(fā)信號(hào)之間的相位差）有關(guān)，也就是說，當(dāng)標(biāo)簽位于讀卡機(jī)天線覆蓋區(qū)域里，在每一個(gè)確定的時(shí)間里，I-Data和Q-Data是唯一確定的，而且，因?yàn)镮-Data和Q-Data之間的正交性決定了這兩個(gè)信號(hào)不可能同時(shí)為零，也就是說，總會(huì)有一路不為零的信號(hào)（I-Data或Q-Data）送入DSP，這就保證了DSP總能收到有效的標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)。  



結(jié)束語(yǔ)  



本文采用了4通道零中頻接收技術(shù)，使得UHF RFID讀卡機(jī)設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價(jià)比。系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合FCC電磁標(biāo)準(zhǔn)要求，即輸出射頻功率小于1W，對(duì)電子標(biāo)簽識(shí)別穩(wěn)定，最大識(shí)別距離達(dá)到6米。